(57)【要約】【課題】  蓄電手段の容量の低減が可能となり、自動車としての重量、体積の増大やコストの増大を抑制して経済性を改善することが可能なハイブリッド自動車駆動制御装置を得ることを目的とするものである。【解決手段】  加速時は、スイッチ１はオンされ、発電機１２と電気二重層キャパシタ３１との両者から電流が電動機２２に供給される。惰行時は、スイッチ１はオフされ、発電機１２から電気二重層キャパシタ３１への充電が阻止される。制動時は、スイッチ１はオフされ、電気二重層キャパシタ３１は、電動機２２からの回生電力のみで充電される。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電手段と、電動機手段と、蓄電手段とを備え、加速運転と惰行運転と制動運転とのいずれかを選択し、上記加速運転時には上記発電手段と蓄電手段とからの電力で上記電動機手段を駆動し、上記制動運転時には上記電動機手段の回生電力を上記蓄電手段に充電して走行するハイブリッド自動車の駆動制御装置であって、
上記発電手段による上記蓄電手段への充電動作を阻止する充電動作規制手段を備えたことを特徴とするハイブリッド自動車駆動制御装置。
【請求項２】
上記充電動作規制手段は、上記発電手段、電動機手段および蓄電手段の３手段を接続する接続点と上記発電手段との間に挿入され、回路の開閉を行うスイッチ手段であることを特徴とする請求項１記載のハイブリッド自動車駆動制御装置。
【請求項３】
上記充電動作規制手段は、上記発電手段、電動機手段および蓄電手段の３手段を接続する接続点と上記蓄電手段との間に挿入され、上記接続点と上記蓄電手段との間の電圧差を制御する電圧制御手段であることを特徴とする請求項１記載のハイブリッド自動車駆動制御装置。
【請求項４】
上記発電手段は、内燃機関のエンジンと、このエンジンにより駆動される交流発電機と、この交流発電機の交流出力を直流に変換しその一端が上記接続点に接続された整流器とを備え、上記電動機手段は、一端が上記接続点に接続され直流を交流に変換するインバータと、このインバータの交流出力で回転駆動される交流電動機とを備え、上記蓄電手段は、電気二重層キャパシタと、この電気二重層キャパシタと上記接続点との間に挿入された可逆コンバータとを備えたことを特徴とする請求項２または３に記載のハイブリッド自動車駆動制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、いわゆるハイブリッド自動車の駆動制御装置に係り、特に、回生時の電力を蓄電に利用する電気二重層キャパシタ等の蓄電手段の容量を必要最小限にして経済的に駆動システムを構成できるようにするものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、その普及が進んでいるハイブリッド自動車では、内燃機関のエンジンで駆動される発電機や燃料電池等の発電手段および電気二重層キャパシタや二次電池等の蓄電手段を搭載し、制動時に回生エネルギーをこの蓄電手段に充電し、起動加速時に、その蓄電エネルギーで発電手段の発電電力を補う制御を行っている。そして、この蓄電手段の容量は、自動車の走行パターンに合わせて加速時放電する補足電力量と制動時に充電する回生電力量とに見合うように計画されている。
しかし、現実の走行を考えると、路線条件が必ずしも一定ではなく勾配の大小や距離の長短も一定のパターンに固定することが出来ないので、加速を補うためのエネルギーを出力するための蓄電量や回生制動のエネルギーを吸収する為に必要な蓄電量のすべてを満たすことはできない。
【０００３】
従って、蓄電手段については、極力、充電動作、放電動作のいずれの方向への動作も可能となるよう、両方向動作へのバランスをとってその容量を設定せざるを得なかった。そして、特別に過酷な制動運転が必要となった場合の対策として、例えば、特許文献１には、発電機を電動機として運転しエンジンを駆動してブレーキ作用をさせることで過剰な回生エネルギーを吸収し機械式ブレーキの焼きつき防止を図る方式が紹介されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平４−３２２１０５号公報（第３頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
以上のように、従来のハイブリッド自動車においては、特異な運転状態の発生を考慮した対策を施すものはあるが、基本的には、充電放電両動作へのバランスをとってその容量を設定せざるを得ず、これを徹底しあらゆる走行モードに対して、蓄電容量は、加速時には十分な放電電力を、また、制動時には回生電力を有効に充電出来るものとするとその容量が過大となる。
特に、加速後の等速運転や惰行運転の時に発電機電力でフル充電すると、その後の制動時に発生する回生電力を充電することが困難になるため、蓄電手段の充電量として回生電力分、常に余裕を備えておかなければならない。換言すると、蓄電容量は、制動時の回生電力量と加速時に放電する電力量とを蓄電出来る容量が必要になり、蓄電手段の容量が大幅に増大し、自動車としての重量、体積の増大やコストが増大して経済性が損なわれるという問題点があった。
【０００６】
この発明は、以上のような従来の問題点を解消するため、ハイブリッド自動車における、各運転形態と蓄電手段の動作との関係を詳細に分析する中で創作完成されたもので、蓄電手段の容量の低減が可能となり、自動車としての重量、体積の増大やコストの増大を抑制して経済性を改善することが可能なハイブリッド自動車駆動制御装置を得ることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係るハイブリッド自動車駆動制御装置は、発電手段と、電動機手段と、蓄電手段とを備え、加速運転と惰行運転と制動運転とのいずれかを選択し、加速運転時には発電手段と蓄電手段とからの電力で電動機手段を駆動し、制動運転時には電動機手段の回生電力を蓄電手段に充電して走行するハイブリッド自動車の駆動制御装置であって、
発電手段による蓄電手段への充電動作を阻止する充電動作規制手段を備えたものである。
【発明の効果】
【０００８】
この発明では、発電手段による蓄電手段への充電動作を阻止する充電動作規制手段を備えたので、特に、惰行運転時および制動運転時における発電手段から蓄電手段への充電動作が確実に防止され、その分、制動運転における蓄電手段の回生エネルギー吸収能力が増大し、結果として蓄電手段の容量を低減することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１におけるハイブリッド自動車駆動制御装置の構成を示すブロック図で、一般的なエンジン自動車でのシリーズハイブリッドシステムに適用したものである。図において、発電手段１０は、内燃機関のエンジン１１と、このエンジン１１で回転駆動される三相の交流発電機１２と、この交流発電機１２の交流出力を直流に変換して出力する整流器１３とから構成されている。整流器１３の直流出力端は、充電動作規制手段であるスイッチ手段としてのスイッチ（ＳＷ）１を介して直流回路である接続点Ｐに接続されている。
電動機手段２０は、接続点Ｐに接続されその直流電圧を自動車速度に見合う周波数の交流に変換するインバータ（ＩＮＶ）２１と、このインバータ２１の交流出力で回転駆動される三相の誘導電動機等の交流電動機２２とから構成されている。
蓄電手段３０は、電気二重層キャパシタ（Electric Double Layer Capacitor EDLC）３１と、この電気二重層キャパシタ３１と接続点Ｐとの間に挿入された可逆コンバータ（ＣＯＮ）３２とから構成されている。
そして、エンジン１１、インバータ２１、可逆コンバータ３２およびスイッチ１は、アクセルとブレーキの操作ペダル２の操作と連動するペダル信号に基づいて動作する制御装置３により制御される。
【００１０】
ここで、図１に示す本願発明の実施の形態１におけるスイッチ１の働きをより明確に理解出来るよう、先ず、従来、従って、スイッチ１が挿入されていない場合の、各運転モードにおける各要素間に発生する電流の流れについて説明する。
図２は、自動車の加速モードにおける電気エネルギー、電流の流れを示す。
同図（Ａ）は、規定速度（例えば、２０ｋｍ／ｈ程度の設定される）まで電気二重層キャパシタで起動と加速をするモードで、エンジンを効率的な回転数の領域でのみ運転して発電することで排ガス対策にも有効である。同図（Ｂ）は、加速が進み、規定速度を超えた領域でエンジンを駆動させ、エンジンと電気二重層キャパシタとの両者により電動機に加速エネルギーが供給されるモードである。同図（Ｃ）は、電気二重層キャパシタの放電が終了（規定の初期電圧の５０％程度の電圧で蓄電電力の７５％を出力した状態である。これ以降も電力を供給することは可能であるが電圧が降下した分コンバータの電流が増大して機器の電流容量が大きくなるので、一般的にはこの程度までを放電利用領域としている。）した後、発電機のみにより給電されるモードである。
【００１１】
図３は、惰行運転時で、発電機の電力は電気二重層キャパシタに充電電流として流れるモードである。図４は、制動運転時で、同図（Ａ）は、電動機からの回生電力が電気二重層キャパシタに充電電流として流れるモード、同図（Ｂ）は、発電機の電力と電動機からの回生電力との両方が充電電流として流れるモードである。前者（Ａ）は、直流電圧が発電機側の電圧よりも高くなった状態であり、後者（Ｂ）は、直流電圧が発電機側の電圧よりも低い状態の時である。回生電力をキャパシタに充電する時に可逆コンバータの出力電力を小さくすることで直流側の電圧は上昇するので（Ａ）と（Ｂ）の２つのモードが選択される。
【００１２】
ここで、電気二重層キャパシタが充電されるモードに着目すると、図３に示す惰行運転時、および図４に示す制動運転時である。この内、図４（Ａ）のモードは、電動機の回生エネルギーを吸収するという、電気二重層キャパシタを備える本来の目的を実行するものであるが、図４（Ｂ）は、直流電圧が低い場合に発電機側からも充電電流が流入するモードで、回生エネルギーを効率的に吸収するモードとは言えない。更に、図３に示す惰行運転時は、発電機側からのみ充電電流が流入するモードで、キャパシタは、回生エネルギーを吸収することなく電荷を増大するものである。
【００１３】
本願発明は、電気二重層キャパシタの容量を低減することを最重要課題として考案されたもので、図１では、充電動作規制手段であるスイッチ１を新たに設けることによって、発電機からの充電動作を確実に阻止する、従って、電気二重層キャパシタの充電を電動機の回生エネルギーの吸収動作に確実に限定することで、そのキャパシタ容量の低減を実現するものである。先の図に対応させて説明すると、図３に示す惰行運転時の発電機からの充電、および図４（Ｂ）に示す制動運転時の発電機からの充電動作を確実に阻止することが出来る。
【００１４】
更に、図１を参照して、スイッチ１の開閉制御について具体的に説明すると以下の通りである。即ち、運転手が操作ペダル２のアクセルペダルを踏むと、制御装置３がこれを検知して可逆コンバータ３２およびインバータ２１に指令を送り、電気二重層キャパシタ３１の蓄電電力のみで電動機２２を起動させる。車速が、既述した規定速度に達するまではエンジン１１は始動させないので、発電機１２は電圧を発生しないが、この間は、スイッチ１はオフにする（図２（Ａ）が相当）。車速が規定速度に達すると、エンジン１１を始動して発電機１２を立ち上げ、スイッチ１をオンして発電電力と蓄電電力とを合わせて電動機２２に供給する（図２（Ｂ）が相当）。その後、加速動作が続き、電気二重層キャパシタ３１および可逆コンバータ３２とがその放電能力の限界に達すると、以後、発電電力のみで電動機２２を駆動する（図２（Ｃ）が相当）。
【００１５】
運転手が操作ペダル２のアクセルペダルを開放すると、車は惰行運転に入り、制御装置３はこれを検知してスイッチ１をオフする。これによって、図３で先に説明した、惰行時における発電機１２から電気二重層キャパシタ３１への充電動作が確実に阻止される。
運転手が再びアクセルペダルを踏めば、制御装置３がこれを検知してスイッチ１をオンし、発電電力が電動機２２に供給され、加速動作が再開される。
次に、運転手が車を減速させるため操作ペダル２のブレーキペダルを踏むと、制御装置３がこれを検知してスイッチ１をオフする。これによって、図４で先に説明した、同図（Ｂ）の動作、即ち、制動時の発電機１２から電気二重層キャパシタ３１への充電動作が確実に阻止され、同図（Ａ）の動作のみとなり、即ち、電気二重層キャパシタ３１は電動機２２からの回生エネルギーのみで充電されることになる。
【００１６】
以上のように、この発明の実施の形態１におけるハイブリッド自動車駆動制御装置では、充電動作規制手段としてスイッチ１を備え、発電機１２による電気二重層キャパシタ３１への充電動作を確実に阻止するようにしたので、電気二重層キャパシタ３１の容量としては、その必要充電量として、もっぱら、制動時の電動機２２からの回生エネルギーを吸収する場合の充電量のみを考慮して決定すればよいので、従来に比較してその容量を低減することが出来、電気二重層キャパシタ３１の小型軽量低コスト化、更には、自動車の小型軽量低コスト化が実現する。
【００１７】
次に、自動車としての走行パターンを具体的に設定し、この同じ走行パターンに基づくシミュレーションを従来の場合と比較して行った結果について説明する。
先ず、図５は、従来の場合で、同図（Ａ）は、自動車の速度［Ｋｍ／ｈ］、図１のＰ点の電圧である発電機電圧［Ｖ］、および電気二重層キャパシタのキャパシタ電圧［Ｖ］の時間変化、同図（Ｂ）は、発電機からのエネルギー量［Ｗ］、電気二重層キャパシタからのエネルギー量［Ｗ］、および両者の和である全エネルギー量［Ｗ］の時間変化を示す。
【００１８】
最初、電気二重層キャパシタ３１は、４００Ｖに充電されている。時間０秒で操作ペダル２のアクセルペダルが踏まれると、電気二重層キャパシタ３１の電荷が可逆コンバータ３２およびインバータ２１を介して電動機２２に供給され車が発進する。可逆コンバータ３２は、出力電圧一定の制御を行うので、電気二重層キャパシタ３１は放電量に応じてその電圧が下降していく。
自動車速度が２０Ｋｍ／ｈを超えると、エンジン１１が始動しこのエンジン１１で駆動される発電機１２からの発電電力が整流器１３を経て、電気二重層キャパシタ３１からの蓄電電力との両電力が電動機２２に供給されて自動車は加速を続ける。なお、この速度２０Ｋｍ／ｈ以下でエンジン１１を駆動しない方式自体は、本願発明とは直接関係がないが、既述したとおり、エンジンの排ガス対策になるものである。
【００１９】
当初４００Ｖであった電気二重層キャパシタ３１の電圧が２００Ｖ近くまで降下した時間約１２５秒の地点で、アクセルペダルが開放され、自動車は惰行運転に移行する。以後、発電機１２からの電流で充電され電気二重層キャパシタ３１の電圧は上昇に転じる。
時間約１４３秒の地点で、操作ペダル２のブレーキペダルが踏まれ、自動車は制動動作に移行する。これにより、電気二重層キャパシタ３１は、発電機１２からの電流に加えて電動機２２からの回生電流によっても充電され電圧が更に上昇し、この現象は、電気二重層キャパシタ３１の電圧が４００Ｖに達するまで続く。電圧が４００Ｖに達した後は、電気二重層キャパシタ３１は、電動機２２からの回生電流のみにより充電されて電圧が更に上昇し、自動車の停止時点では、約４２０Ｖに達している。
【００２０】
仮に、このシミュレーション結果に基づき電気二重層キャパシタ３１の容量を設定するものとすると、その電圧を４００Ｖに抑えて同じ回生エネルギーを吸収するためには、電圧超過分５％（（４２０−４００）／４００×１００）を補償するため、その２乗に相当する、当初設定した値の１１０％の容量が必要となる。
【００２１】
以上に対し、図６は、この発明の実施の形態１の場合の、図５と同様の要領で表したシミュレーション結果である。
加速運転時はスイッチ１がオンされているので、動作は図５の場合と同様であるが、時間約１２５秒の地点でアクセルペダルが開放され惰行運転に移行すると、スイッチ１がオフされるので、電気二重層キャパシタ３１は、発電機１２からの電流で充電されることなく、それまでの電圧を継続する。更に、時間約１４３秒の地点で、ブレーキペダルが踏まれ制動動作に移行しても、スイッチ１がオフの状態を維持するので、電気二重層キャパシタ３１は、発電機１２からの電流で充電されることなく、本来の電動機２２からの回生電力を吸収する充電動作のみを行う。
この結果、図５と同じ、自動車の停止地点における電気二重層キャパシタ３１の電圧は、約３８０Ｖに留まっている。従って、図５の従来の場合と同一の回生エネルギーを吸収するものと仮定して電気二重層キャパシタ３１の容量を求めると、最終電圧が５％低い値に留まっているため容量としては、その２乗に相当する、当初設定した値の９０％に低減出来、従来との対比では、容量を約２０％低減出来る計算となり、同一走行パターンでのシミュレーション比較結果からも本願発明の効果が実証されたわけである。
【００２２】
実施の形態２．
図７は、この発明の実施の形態２におけるハイブリッド自動車駆動制御装置の構成を示すブロック図で、先の実施の形態１の図１と異なるのは、スイッチ１を設けることなく、可逆コンバータ３２Ａを充電動作規制手段として機能させている点である。
【００２３】
図８は、先の図５、図６と同一要領で表した、実施の形態２における走行シミュレーション結果を示す図である。
時間約１２５秒の地点で操作ペダル２のアクセルペダルが開放され惰行運転に移行すると、制御装置３がこれを検知して可逆コンバータ３２Ａを制御して接続点Ｐの電圧を発電機１２の無負荷電圧４００Ｖより高くすることで、発電機１２から電気二重層キャパシタ３１への充電動作を阻止する。
更に、時間約１４３秒の地点で、ブレーキペダルが踏まれ制動動作に移行すると、同じく可逆コンバータ３２Ａの電圧制御で接続点Ｐの電圧を４００Ｖより高い電圧に維持するので、発電機１２からの充電動作を阻止しつつ電動機２２からの回生電力のみを電気二重層キャパシタ３１に充電する。但し、この場合、制動力に見合う回生電流を流すためには、接続点Ｐの電圧は４００Ｖ以上となり、これには電動機２２に十分な耐圧が備えられていることが前提となる。一般に、電動機の高速域での電圧を高めることは電動機としての定格容量を増やすことになり、重量、大きさが増大し経済性が失われる。従って、これを避ける目的で高速域での電動機の電圧を定格範囲に収めるためには回生する電流を制限せざるを得ず、図８（Ｂ）に示すように、自動車の運動エネルギーに比べ回生出来る電力が低減し、この差のエネルギーは、機械ブレーキの操作により吸収され最終的に熱エネルギーに変換されることとなる。
そして、この動作に対応して、電気二重層キャパシタ３１の最終地点（自動車の停止点）での電圧は、約３４０Ｖと、スイッチ１を適用した実施の形態１の場合と比べて電圧が更に低減し、その分、電気二重層キャパシタ３１の容量低減が可能となる。
【００２４】
以上のように、この発明の実施の形態２におけるハイブリッド自動車駆動制御装置では、上記した可逆コンバータ３２Ａを設けたので、発電機１２から電気二重層キャパシタ３１への充電が確実に阻止され、電気二重層キャパシタの容量を低減出来るとともに、実施の形態１と比べると、主回路電流を開閉するスイッチを不要と出来るので、装置として小型軽量となり信頼性も向上するという利点がある。
【００２５】
なお、先の実施の形態１においては、スイッチ（ＳＷ）１を使用し、発電機１２からの出力を直流回路で遮断するようにしたが、これに替わる手段として、（１）エンジン１１と発電機１２との間にクラッチを挿入し両者を機械的に分離して発電機１２を停止する、（２）発電機１２と整流器１３との間に交流スイッチを挿入し、発電機１２からの出力を交流回路で遮断する、（３）整流器１３をゲート付き半導体素子、例えば、サイリスタを使用した電子スイッチとして遮断する、（４）エンジン１１を停止することで発電機１２を停止する、等の方式を採用してもよい。
また、以上の各実施の形態では、発電手段１０として、エンジン１１と発電機１２と整流器１３とでなるものとしたが、例えば、燃料電池を利用した発電装置を適用してもよい。また、電動機手段２０は、インバータ２１と誘導電動機２２とでなるものとしたが、例えば、直流電動機を利用したものとしてもよい。更に、蓄電手段３０として、電気二重層キャパシタ３１と可逆コンバータ３２、３２Ａとでなるものとしたが、例えば、二次電池を利用したものとしてもよいことは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】この発明の実施の形態１におけるハイブリッド自動車駆動制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】ハイブリッド自動車の加速モードにおける電流の流れを説明する図である。
【図３】ハイブリッド自動車の惰行モードにおける電流の流れを説明する図である。
【図４】ハイブリッド自動車の制動モードにおける電流の流れを説明する図である。
【図５】従来の装置の走行シミュレーション結果を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態１の場合の走行シミュレーション結果を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態２におけるハイブリッド自動車駆動制御装置の構成を示すブロック図である。
【図８】この発明の実施の形態２の場合の走行シミュレーション結果を示す図である。
【符号の説明】
【００２７】
１  スイッチ、２  操作ペダル、３  制御装置、１０  発電手段、１１  エンジン、
１２  発電機、１３  整流器、２０  電動機手段、２１  インバータ、
２２  誘導電動機、３０  蓄電手段、３１  電気二重層キャパシタ、
３２，３２Ａ  可逆コンバータ、Ｐ  接続点。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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